Датчик следит за облаками

Разработан оптический датчик для радиозондов на базе нового эффекта. Он с высокой точностью измеряет высоту верхней границы облаков и другие параметры облачности

Улучшение качества прогнозов погоды и климатических исследований требует повышения достоверности измерений параметров атмосферы. В настоящее время они измеряются различными приборами. Причём, как правило, для каждого параметра существуют независимые методы проверки точности измерений.

Однако для таких ключевых параметров, как наличие облачности в атмосфере и высота ее верхней границы, методы проверки достоверности по независимым данным часто отсутствуют. А ведь от облачности зависит радиационный баланс – разница между поглощённым земной поверхностью излучением Солнца и излучённым обратно. Можно сказать, что это определяет нагрев приземного слоя атмосферы и, как следствие, в значительной мере характер процессов в нём.

Основной источник данных об облачности — это спутники. Кроме них, инфопмацию дают метеорологические радары, радиозонды и наземные метеостанции. Однако метеорологический радар видит только облака с осадками. Радиозонд оборудован датчиком влажности, но при одинаковой влажности облачность может и присутствовать, и отсутствовать. Данные  же наземных метеостанций отрывочны и субъективны.

Спутник регистрирует излучение в разных диапазонах: микроволновом, инфракрасном и оптическом. На первом этапе он обнаруживает облачность по данным видимого диапазона и делает так называемую «облачную маску», т.е. выделяет части изображения, где присутствуют облака. Потом на облачную маску накладываются данные о температуре по инфракрасным измерениям, и рассчитывается высота верхней границы облачности. Точность такого измерения — порядка одного километра, что для низкой облачности сравнимо с ее толщиной. Проблема в том, что в полярных районах и зимой в средних широтах в видимом диапазоне белые облака теряются на фоне белого снега, особенно во время полярной ночи в Арктике. Поэтому в этих условиях облачную маску построить сложно, возникает очень много ошибок, вероятность обнаружения облачности становится порядка 60%. А низкая надежность измерений в арктической зоне ухудшает качество прогноза погоды и в средних широтах.

Для устранения ошибок нужно проводить непрерывный контроль спутниковых измерений, желательно контактными методами. Специалисты из МФТИ и Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) разработали для этого оптический датчик нового типа, который будет устанавливаться на стандартный радиозонд. Он может с высокой точностью обнаруживать облачный покров, измерять высоту верхней границы облаков с точностью 50 метров, определять присутствие частиц осадков в облаках и высоту границы между тропосферой и стратосферой. Причём, используя инфракрасное излучение, это можно делать и днём, и ночью.

То, что облачная среда отличается от безоблачной атмосферы оптическими свойствами, известно давно. Однако приборы для оптических измерений достаточно сложны и стоят очень дорого, а радиозонд — одноразовый аппарат. Поэтому решающими факторами для применения в метеорологии нового датчика служат простота его использования и низкая стоимость.

Исследователи обнаружили, что у простейшего оптического датчика на базе обычного фотодиода величина дисперсии сигнала (характеристика того, как разные длины волн распространяются в среде) резко изменяется при пересечении верхней границы облачности. Природа эффекта еще полностью не объяснена, но он уже позволил обнаруживать облачность и измерять высоту её верхней границы. Кроме того, величина дисперсии сигнала зависит от наличия частиц осадков в облаках. При их отсутствии дисперсия неизменна по всей толщине облака, а при их наличии она уменьшается до нуля на расстоянии 600–800 метров от верхней границы облака. Это позволяет осуществить контроль качества работы датчика влажности радиозонда. На данный момент других подобных методов пока не существует. Также разработанный датчик позволяет оценить высотную зависимость затухания видимого света в атмосфере, что дает возможность измерить высоту границы между тропосферой и стратосферой, а, значит, высоту слоя аэрозоля в атмосфере (слоя содержащего мелкие частицы твёрдых тел и жидкостей).

Для проверки работоспособности датчика исследователи провели сравнения данных о высоте верхней границы облачности, полученных зондом, с измерениями с борта специализированного самолета. Статья о результатах работы опубликована в Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. Они будут способствовать увеличению точности прогноза погоды и достоверности климатических исследований. Кроме того, результаты этой работы можно использовать для калибровки спутниковых каналов связи.

По материалам пресс-релиза МФТИ